材料物理性能实验指导书.docx
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材料物理性能实验指导书
材料物理性能
实验指导书
张小敏编著
金陵科技学院材料工程学院监制
二零一六年九月
前言
《材料物理性能综合训练实验指导书》根据材料物理性能检验教学大纲编写的。
本指导书结合现有的实验设备编排了个基础实验,本书叙述的实验操作是按照实验室自身设备情况和设备使用说明书编写的,实验实施性强、操作规范、操作方法正确。
本书的数据处理参照相应的标准和规定编写的。
材料物理性能实验是重要的教学环节,通过物理性能实验可以引导学生了解实验原理及实验设备,有助于学生对金属及合金的物理性能与成分、组织、结构之间的关系进一步了解,有助于学生掌握有关的物理性能的测量手段。
实验一:
洛氏硬度实验
实验学时:
4
实验类型:
验证
实验要求:
必修
一、实验目的
1.了解洛氏硬度计的构造及应用范围。
2.熟悉洛氏硬度计的操作方法。
二、实验内容
用洛氏硬度计测试金属的洛氏硬度。
三、实验原理、方法和手段
硬度试验操作简便,对工件损伤小,可在零件上直接测试,故在生产实践中应用很普遍。
硬度所表征的不是一个确定的物理量,它是衡量材料软硬程度的一种性能指标。
硬度值的意义随试验方法而不同。
硬度试验基本上可分为压入法和刻划法。
对于以压入法进行的硬度试验,其硬度值是表示材料抵抗另一物体压入其表面的能力,洛氏、布氏和维氏硬度都属于压入法硬度试验。
(一)洛氏硬度试验法。
1.洛氏硬度是以压痕的深度来表示
材料的硬度值。
图1-1为洛氏硬度试验
原理图。
测试洛氏硬度时,用规定的压头,
先后施加两个负荷:
预负荷F0和主负
荷F1。
总负荷F=F0+F1。
图1-1中,
0-0位置为未加负荷时的压头位置;l-l
位置为施加10kg预负荷后的位置,压
入深度为h1;2-2位置为加上主负荷后
的位置,此时压入深度为h2;3-3位置图1-1洛氏硬度试验原理
为卸除主负荷后由于弹性变形的恢复而
使压头略微提高的位置,此时压头的实际压入深度为h3。
由主负荷引起的残余压入深度h=h3-h1,用此来衡量金属硬度值的大小。
若直接用h来表示硬度,则会出现硬的金属硬度值小,而软的金属硬度值反而大的现象。
不符常规。
为了适宜人们认为数值愈大硬度值愈高的习惯概念,人为规定,用一常数K减去h来表示硬度的太小,并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位。
因此,洛氏硬度值的计算公式可写成:
式中:
h1—预加负荷压入试样的深度(mm);
h3—卸除主负荷后压人试样的深度(mm);
K一常数。
A和C标尺K=0.2mm,B标尺K=0.26mm。
因此,洛氏硬度值的计算公式还可以写成:
试验时,可选用不同的压头和不同的主负荷,洛氏硬度标尺也随之变化。
表1为各种洛氏标尺及试验条件。
表1各种洛氏标尺及实验条件
金刚石
120°圆锥
钢球1/16″
钢球1/8″
钢球1/4″
钢球1/2″
60
A
F
H
L
R
100
D
B
E
M
S
150
C
G
K
P
V
表1中最常用的是HRA、HRB、HRC等三种。
表2为这三种洛氏硬度标尺的试验条件和应用。
表2三种洛氏硬度标尺的试验条件和应用
洛氏硬度值测量范围HR
标尺
压头形状
预负荷(公斤力)
主负荷(公斤力)
总负荷(公斤力)
符号
大致相当的维氏硬度值
表盘上刻度的颜色
应用
20-100
C
金刚石120°圆锥
10
140
150
HRC
240-900
黑
碳钢、工具钢及合金钢等淬火和回火后的硬度
20-100
B
1/16″钢球
10
90
100
HRB
60-240
红
有色金属及合金退火锅等低硬度零件的硬度
20-88
A
金刚石120°圆锥
10
50
60
HRA
390-900
黑
碳化物、硬质合金及表面硬化零件等
四、实验组织运行要求
采用分组集中授课,学生独立进行实验。
五、实验条件
1.洛氏硬度计。
2.待测试金属试样。
六、实验步骤
当工作过程显示窗口显示“OP”,表示硬度计已进入硬度试验状态,即可进行硬度试验,其步骤如下:
1、将试样放在试台上,顺时针转到升降手轮,使试样缓慢地接触压头。
2、继续转到升降手轮,使硬度值显示窗口显示的数值由“100.0”逐渐增加,当显示数大于或等于“365.0”时,电磁制动器自动锁紧升降手轮,初试验力即施加完毕,随之硬度计自动地完成下列工作:
a、硬度值显示窗口显示“100.0”或“130.0”(有时会有正负0.1的误差,属正常)
b、约0.5秒后,加卸荷电机转动,施加主试验力,指示灯灭,同时工作过程显示窗口显示“AP”。
c、当主试验力施加完毕后,加卸荷电机停转,进入保荷阶段,工作过程显示窗口显示“H—XX”,“XX”为保荷时间。
d、保荷完毕后,电机再次转动卸除主试验力,工作过程显示窗口显示“DO”。
e、当电机停止转动时,主试验力已卸除完毕,指示灯亮,此时硬度值显示窗口显示出被测试件的硬度值。
同时,工作过程显示窗口显示“OP”,如果打印机已打开,打印机会打出该点的硬度值(第一试验点不打印,第二试验点打印)。
3、读取硬度值后,逆时针转动升降手轮,降下试台。
主机显示窗恢复100.0到此一个试验循环结束。
4、移动试件选择新的试验点进行试验,一般情况下每个试样的第一点应删除,而且每个试样的有效点数应不小于3个,两压痕中心及任一压痕离边缘的距离均不得小于3毫米,移动试件重复上述的操作步骤,进行第二、三······点的实验。
5、在打印机工作时,当每个试样的试验点数在达到设定点数时,打印机会打出该组数据的平均值(AVE),如果已予置硬度上、下限,则会打印出该组数据中有几点超上限(PULDX),有几点超下限(PDLDX)。
6、当接着进行第二、三······个零件试验时,如果试验条件相同,不用重新予置,可接着进行试验。
七、实验报告
学生实验报告的内容主要包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。
认真填写实验内容、实验目的、实验仪器、设备及材料、布氏、洛氏硬度计的测定原理、实验步骤。
八、实验注意事项
l.根据试样形状及尺寸选用合适的工作台,试样的厚度不应小于10倍压痕深度。
2.为了得到精确的实验结果,试样上相邻压痕中心的距离以及压痕中心距试样边缘的距离不得小于3mm。
3.硬度计共有三个砝码,分别标以A(4、7、8)、B(5)、C(6)。
做HRA试验时用砝码A;做HRB试验时用砝码A和B;做HRC试验时用A、B和C三个砝码。
实验二:
碳纤维复合材料和硅片的导电性测定
实验学时:
4
实验类型:
验证
实验要求:
必修
1、掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法;
2、了解影响电阻率测量的各种因素及改进措施。
二、实验内容
用RTS-8型四探针电阻率方块电阻测试仪测试碳纤维复合材料和硅片的电阻率。
三、实验原理
电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一。
测量电阻率的方法很多,如三探针法、电容---电压法、扩展电阻法等。
四探针法则是一种广泛采用的标准方法,在半导体工艺中最为常用。
1、半导体材料体电阻率测量原理
在半无穷大样品上的点电流源,若样品的电阻率ρ均匀,引入点电流源的探针其电流强度为I,则所产生的电场具有球面的对称性,即等位面为一系列以点电流为中心的半球面,如图1所示。
在以r为半径的半球面上,电流密度j的分布是均匀的:
若E为r处的电场强度,则:
由电场强度和电位梯度以及球面对称关系,则:
取r为无穷远处的电位为零,则:
(1)
上式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为r的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式,它代表了一个点电流源对距离r处的点的电势的贡献。
对图2所示的情形,四根探针位于样品中央,电流从探针1流入,从探针4流出,则可将1和4探针认为是点电流源,由1式可知,2和3探针的电位为:
2、3探针的电位差为:
此可得出样品的电阻率为:
上式就是利用直流四探针法测量电阻率的普遍公式。
我们只需测出流过1、4探针的电流I以及2、3探针间的电位差V23,代入四根探针的间距,就可以求出该样品的电阻率ρ。
实际测量中,最常用的是直线型四探针(如图3所示),即四根探针的针尖位于同一直线上,并且间距相等,设r12=r23=r34=S,则有:
需要指出的是:
这一公式是在半无限大样品的基础上导出的,实用中必需满足样品厚度及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距,这样才能使该式具有足够的精确度。
如果被测样品不是半无穷大,而是厚度,横向尺寸一定,进一步的分析表明,在四探针法中只要对公式引入适当的修正系数BO即可,此时:
另一种情况是极薄样品,极薄样品是指样品厚度d比探针间距小很多,而横向尺寸为无穷大的样品,这时从探针1流入和从探针4流出的电流,其等位面近似为圆柱面高为d。
任一等位面的半径设为r,类似于上面对半无穷大样品的推导,很容易得出当r12=r23=r34=S时,极薄样品的电阻率为:
上式说明,对于极薄样品,在等间距探针情况下,探针间距和测量结果无关,电阻率和被测样品的厚度d成正比。
就本实验而言,当1、2、3、4四根金属探针排成一直线且以一定压力压在半导体材料上,在1、4两处探针间通过电流I,则2、3探针间产生电位差V23。
材料电阻率:
(2)
(2)式中:
S为相邻两探针1与2、2与3、3与4之间距,就本实验而言,S=1mm,C6.280.05(mm)。
若电流取I=C时,则ρ=V,可由数字电压表直接读出。
2、薄层电阻(方块电阻)的测量
薄层电阻率为:
实际工作中,我们直接测量薄层电阻,又称方块电阻,其定义就是表面为正方形的半导体薄层,在电流方向所呈现的电阻,见下图。
所以:
因此有:
四、实验组织运行要求
采用分组集中授课,学生独立操作。
五、实验步骤
1)使用仪器前检查电源线、测试架连接线是否连接好。
确保前面板上粗调旋钮在最小位置,恒流源开关处于关闭状态。
ρ/R键选择R,手动模式。
2)电源插头插入220V插座后,开启背板上的电源开关,此时前面板上的数字表、发光二极管都会亮起来。
3)将探针头压在样品上,打开恒流源开关,电流会自动选择在1.0mA档。
电流档的选择采用循环步进式的方式,每按一次电流选择按钮进一档。
电流档按以下顺序不断的循环:
1.0mA→10mA→100mA→0.01mA→0.1mA→1.omA→……
4)电流选择从小量程0.01mA开始,一般调到04532。
调节粗调旋钮使前三位达到目标值,再调节细调旋钮使后两位达到目标值。
若电压表无数值显示,选择大的电流量程,同样调节到04532。
若电压表还是没数值显示,则继续增大电流量程。
5)由于本机中已有小数点处理环节,无需考虑电流、电压的单位。
电压表的读数即为样品的方块电阻值(Ω/□)。
6)测量完毕,将粗调调到最小值,关闭恒流源、电源,盖上探头保护帽。
六注意事项
1)仪器测量电流分五档,读数方法如下:
1mA档显示五位100000时,表示电流为1mA。
如1mA档显示04532时,表示电流为0.4532mA。
2)W为样品厚度;F(W/S)为厚度修正系数;F(S/D)为直径修正系数;FSP探针间距修正系数,一般取4.532;FT温度修正系数(具体值见附表)。
测量选择,则电压表读数V=R□。
3)恒流开关是在发现探针带电压接触被测材料影响测量数据时使用,先压触被测材料,后开开关避免接触瞬间打火。
为提高工作效率,且带电接触对测
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